High-Performance Electrocatalysis Using Metallic Cobalt Pyrite (CoS2) Micro- and Nanostructures

电催化剂 黄铁矿 电极 纳米技术 纳米结构 金属 催化作用 化学 过渡金属 电化学 无机化学 材料科学 矿物学 有机化学 物理化学
作者
Matthew S. Faber,Rafal M. Dziedzic,Mark A. Lukowski,Nicholas S. Kaiser,Qi Ding,Song Jin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:136 (28): 10053-10061 被引量:1272
标识
DOI:10.1021/ja504099w
摘要

The development of efficient and robust earth-abundant electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) is an ongoing challenge. We report metallic cobalt pyrite (cobalt disulfide, CoS2) as one such high-activity candidate material and demonstrate that its specific morphology--film, microwire, or nanowire, made available through controlled synthesis--plays a crucial role in determining its overall catalytic efficacy. The increase in effective electrode surface area that accompanies CoS2 micro- and nanostructuring substantially boosts its HER catalytic performance, with CoS2 nanowire electrodes achieving geometric current densities of -10 mA cm(-2) at overpotentials as low as -145 mV vs the reversible hydrogen electrode. Moreover, micro- and nanostructuring of the CoS2 material has the synergistic effect of increasing its operational stability, cyclability, and maximum achievable rate of hydrogen generation by promoting the release of evolved gas bubbles from the electrode surface. The benefits of catalyst micro- and nanostructuring are further demonstrated by the increased electrocatalytic activity of CoS2 nanowire electrodes over planar film electrodes toward polysulfide and triiodide reduction, which suggests a straightforward way to improve the performance of quantum dot- and dye-sensitized solar cells, respectively. Extension of this micro- and nanostructuring strategy to other earth-abundant materials could similarly enable inexpensive electrocatalysts that lack the high intrinsic activity of the noble metals.
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